實(shí)現(xiàn)天然氣的熱能全部利用

1、實(shí)現(xiàn)天然氣的熱能全部利用-煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)簡(jiǎn)介北京浩特沃特節(jié)能科技公司 教授級(jí)高工 李崇興“十三五”時(shí)期，我國(guó)能源發(fā)展面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，天然氣在能源革命中占據(jù)重要地位。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人民生活水平的提高和環(huán)保要求的不斷提升，到2020年，城市燃?xì)夂凸I(yè)燃料應(yīng)用將占到用氣總量的60%以上。特別是在發(fā)電的燃料結(jié)構(gòu)中，天然氣的比重將進(jìn)一步提升。京津冀魯、長(zhǎng)三角、珠三角等大氣污染重點(diǎn)防控區(qū)，將有序發(fā)展天然氣電站和天然氣分布式能源。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委規(guī)劃，2020年我國(guó)天然氣供應(yīng)能力將比目前翻一番達(dá)到或超過4000億立方米。為了改善大氣質(zhì)量，北京市大力推進(jìn)煤改氣工程，目前，天然氣已全部覆

2、蓋六環(huán)以內(nèi)的區(qū)域，北京市每年消耗的天然氣從2004年的25億立方米到2016年已達(dá)到168億立方米，天然氣需求量以超過8%每年的速率增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在2020年前將達(dá)到200億立方米。其中冬季采暖消耗的天然氣已占到全年消耗量的60%以上，2016年采暖期間的用氣量將達(dá)到118億立米。天然氣是清潔能源，理應(yīng)將其熱能全部轉(zhuǎn)化利用，但是，天然氣熱能利用率的現(xiàn)狀并不盡人意，采暖鍋爐的熱能利用率普遍低于80%（以高熱值計(jì)）。大型燃?xì)廨啓C(jī)一次發(fā)電效率不超過40%，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率不超過60%，熱電聯(lián)供技術(shù)也僅達(dá)到80%，有超過20%的熱能通過煙筒排放到空中，不但浪費(fèi)了寶貴的能源，而且還對(duì)大氣環(huán)境造成了

3、影響。因此，提高天然氣的熱能利用率是改善環(huán)境，消除霧霾，減排二氧化碳的有效措施，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)未來能源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。研發(fā)和推廣天然氣熱能全部回收利用的技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，刻不容緩。近年來，隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和專家學(xué)者對(duì)煙氣中潛熱回收的深入研究，出現(xiàn)了許多“天然氣煙氣全熱回收”的方法和技術(shù)裝備，排煙溫度也呈下降的趨勢(shì)，從普遍采用一級(jí)換熱回收的60-70排煙溫度到冷凝鍋爐的40，從吸收式熱泵的30排煙到煙氣源熱泵的15甚至更低。這些技術(shù)的研發(fā)者都聲稱實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的“全熱回收”。甚至有的鍋爐安裝了一級(jí)余熱回收裝置（排煙溫度70）就在銘牌上標(biāo)注“鍋爐熱效率98%”。因此，對(duì)燃?xì)庠O(shè)備的煙氣余熱利用應(yīng)當(dāng)

4、有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，才能更好的促進(jìn)煙氣余熱回收的節(jié)能技術(shù)的研究和發(fā)展。一、當(dāng)前天然氣熱能利用的現(xiàn)狀由于天然氣的成分主要是甲烷（CH4）,燃燒后生成水，在鍋爐氣化為過熱水蒸氣隨煙氣排出。1立方米的天然氣燃燒后生成1.55公斤的水，所攜帶的氣化潛熱約占天燃?xì)獾蜔嶂档?0%以上。如果能將煙氣溫度從180降到20，其可回收的熱能（顯熱和潛熱）可占到天然氣總熱值的20%左右。以北京為例，2016年冬季供暖消耗的天然氣118億立米，如果通過煙氣余熱回收技術(shù)將排煙降到20，回收的熱能至少節(jié)約15億立米的燃?xì)?。目前，燃?xì)忮仩t的煙氣余熱回收較普遍的做法是在鍋爐煙筒上安裝一級(jí)汽水換熱器余熱回收裝置，僅收回燃?xì)?/p>

5、熱值的3-5%的熱能，煙氣溫度僅能降到60-80，還有部分顯熱和大量的潛熱未被回收利用。由于煙氣的冷凝溫度為59左右，只有將煙氣溫度降到冷凝溫度以下，才能回收煙氣中的潛熱，實(shí)現(xiàn)大幅度的提高天氣的熱能利用率的目標(biāo)。為此，研究者選擇了熱泵循環(huán)制冷的方法將煙氣潛熱回收并用熱泵提高至供熱溫度。目前，采用熱泵回收煙氣余熱有兩條技術(shù)路線：一是采用吸收式熱泵（溴化鋰直燃機(jī)），利用高溫蒸氣或燃?xì)庋a(bǔ)燃作為熱泵的驅(qū)動(dòng)源，排煙溫度一般為30左右；二是采用電動(dòng)熱泵（渦旋式、離心式或螺桿式壓縮機(jī)），用電作為熱泵的驅(qū)動(dòng)源，排煙溫度已降到15甚至更低。這兩條技術(shù)路線分別適用不同的鍋爐規(guī)模、能源價(jià)格、安裝場(chǎng)地和供熱對(duì)象。煙氣

6、源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)是教授級(jí)高級(jí)工程師李崇興研究成功的發(fā)明專利技術(shù)。2011年3月，北京機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑒定委員會(huì)鑒定認(rèn)為，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多種節(jié)能技術(shù)的綜合運(yùn)用，集成系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平；2012年3月，經(jīng)北京節(jié)能技術(shù)檢測(cè)中心檢測(cè)，該供熱系統(tǒng)輸出功率與輸入電功率比（EER值）為7.91。2012年4月獲得了國(guó)家發(fā)明專利權(quán)，2012年6月和2014年6月，兩次列入北京市2012年節(jié)能低碳技術(shù)產(chǎn)品推薦目錄。2014年6月，列入北京市科委公布的北京地區(qū)大氣污染防治技術(shù)和產(chǎn)品目錄。2015年9月列入國(guó)管局公共機(jī)構(gòu)節(jié)能節(jié)水技術(shù)產(chǎn)品目錄，2015年11月列入國(guó)家發(fā)改委國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)目錄。二、煙氣源熱泵供熱節(jié)能

7、技術(shù)要點(diǎn)1、技術(shù)原理煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)采用三級(jí)降溫兩級(jí)換熱的工藝流程，將燃?xì)忮仩t煙氣中的熱能梯級(jí)回收利用，特別是利用煙氣源熱泵吸收低品位熱能特點(diǎn)，將60以下的煙氣中的潛熱回收，回用到供暖或供應(yīng)熱水，最終排煙溫度降到15，實(shí)現(xiàn)了煙氣中的熱能的全熱（顯熱和潛熱）回收利用。2、工藝流程第一級(jí)降溫、換熱是將120的煙氣通過氣-水換熱器降至60，水溫提升6-7；第二級(jí)降溫是通過混合降溫器將煙氣從60降到30；第三級(jí)降溫、換熱是通過煙氣源熱泵將煙氣降到15后排放，水溫提升6-7。三級(jí)降溫?zé)煹来?lián)連接，二級(jí)換熱的熱水管道可串聯(lián)和并聯(lián)。煙氣降溫過程中凝結(jié)的冷凝水吸收煙氣中的部分氮氧化物，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

8、3、主要功能（1）節(jié)能 將燃?xì)忮仩t煙氣溫度降到15，天然氣的熱能全部利用，可收回鍋爐負(fù)荷的15-20%的熱能，相應(yīng)的節(jié)約天然氣耗量。 （2）降低供熱成本 煙氣源熱泵供熱的運(yùn)行成本比燃?xì)忮仩t降低60%以上。（3）消峰填谷 冬季是北京市天然氣用氣高峰，本技術(shù)可以消減10-15%天然氣消耗量，起到消峰的作用。本技術(shù)可利用低谷電和平峰電供熱，充分利用谷電資源，提高電能的利用效率。（4）節(jié)水 5噸鍋爐每天回收冷凝水4-6噸，經(jīng)過處理可代替軟化水，節(jié)約自來水。（5）減排 煙氣中氮氧化物溶到冷凝水中，減少對(duì)大氣的污染，起到減排的作用。經(jīng)測(cè)試，氮氧化物的減排率為10%左右。（6）投資回報(bào)率高 用于冬季采暖時(shí)，

9、設(shè)備靜態(tài)投資回收期為3-3.5年。用于冬季采暖+全年供熱水時(shí)，煙氣源熱泵在非采暖季節(jié)為空氣源工況，可加熱生活、生產(chǎn)熱水，比燃?xì)忮仩t加熱成本降低50%以上，靜態(tài)投資回收期為1.5-2年。三、煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)分析1、為什么將最終排煙溫度定為15首先，要明確煙氣余熱的“全熱回收”的概念和基準(zhǔn)條件?！叭珶帷笔轻槍?duì)天然氣的高位熱值而言，天然氣的高位熱值是指“每標(biāo)準(zhǔn)立方米燃?xì)馔耆紵?，其煙氣被冷卻至原始溫度，而其中的水蒸氣以凝結(jié)水狀態(tài)排出時(shí)所放出的熱量”，相應(yīng)的，“每標(biāo)準(zhǔn)立方米燃?xì)馔耆紵螅錈煔獗焕鋮s至原始溫度，而其中的水蒸氣仍為蒸汽狀態(tài)時(shí)所放出的熱量”是低位熱值。二者之差就是煙氣中的汽化潛熱

10、。由于各地的天然氣的成分不同其熱值也略有差異。以北京使用的陜北天然氣為例，其高位發(fā)熱量為38.876MJ/Nm3,低位發(fā)熱量為35.055MJ/Nm3，兩者相差3.821MJ/Nm3，就是天然氣的汽化潛熱，約占總發(fā)熱量的10%左右。由于天然氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣必須以過熱蒸汽的形態(tài)通過煙筒排出鍋爐，如果煙氣溫度降低產(chǎn)生酸性冷凝水會(huì)腐蝕爐體，成為安全隱患。也就是說，鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)就沒有考慮利用這部分汽化潛熱。因此，我國(guó)制定鍋爐熱效率的標(biāo)準(zhǔn)是以低熱值為基數(shù)來計(jì)算的，即使鍋爐的熱效率達(dá)到100%，仍有10%以上的熱能沒有利用。鑒此，真正意義上的“全熱回收”需要滿足兩個(gè)條件，一是煙氣被冷卻至原始溫度，二是其中

11、的水蒸氣以凝結(jié)水狀態(tài)排出。那么如何確定煙氣被冷卻到原始溫度？我們可以從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的燃?xì)廨啓C(jī)ISO標(biāo)準(zhǔn)工況的規(guī)定中找到依據(jù)，這就是：環(huán)境溫度15、大氣壓力010135 MPa、大氣相對(duì)濕度60。也就是說，當(dāng)煙氣溫度降到15時(shí)才能實(shí)現(xiàn)燃?xì)忮仩t煙氣余熱的“全熱回收”，否則，只能稱其為“深度回收”。至于水蒸氣以凝結(jié)水的狀態(tài)排出的條件，由于煙道中的煙氣始終處于飽和狀態(tài)，只要將煙氣降到一定溫度，其水蒸氣必然凝結(jié)成水排出。2、為什么煙氣源熱泵能實(shí)現(xiàn)排煙溫度15煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)采用的熱泵是按照煙氣余熱回收的運(yùn)行條件專門設(shè)計(jì)的一款專用熱泵機(jī)組，具有煙氣源和空氣源的特性。采暖季節(jié)是在煙氣工

12、況運(yùn)行，由于煙氣溫度較高所含熱能較多，設(shè)計(jì)蒸發(fā)器的運(yùn)行環(huán)境溫度為30±5，煙氣側(cè)進(jìn)出口溫差為15。因此，在標(biāo)準(zhǔn)工況運(yùn)行時(shí)，熱泵的能效比較高，COP可達(dá)到4.5-5，最終排煙溫度為15。當(dāng)熱泵在非采暖季節(jié)運(yùn)行時(shí)處于空氣源工況，春夏秋季運(yùn)行環(huán)境溫度在15-40，當(dāng)空調(diào)季環(huán)境溫度在30時(shí)，熱泵空氣側(cè)出風(fēng)溫度為15，可作為空調(diào)的冷源。因此，煙氣源熱泵在空調(diào)季可實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供，一機(jī)二用。 3、煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用 長(zhǎng)期以來，北京市本地電力支撐和熱力供應(yīng)以個(gè)燃煤熱電廠為主，隨著煤改氣的推進(jìn)，4個(gè)燃煤熱電廠全部拆除，取而代之的是4座大型燃?xì)鉄犭娭行模掖蟠笤?/p>

13、加了燃?xì)夤崦娣e。到“十二五”末期，全市燃?xì)怆姀S裝機(jī)規(guī)模達(dá)到960萬千瓦，預(yù)計(jì)2020年熱電聯(lián)供的面積將達(dá)到10億平方米。然而，煤改氣之后新的矛盾又出現(xiàn)了：1、熱電比的變化由于燃煤電廠的熱電比是1.5-2，燃?xì)怆姀S的熱電比是0.7-0.8，兩者相差1倍以上，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展，熱電需求不匹配的矛盾逐漸顯現(xiàn)，在采暖季，燃?xì)鉄犭姀S是以熱定電，為滿足供熱需求，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)生的電力，在某些時(shí)段已經(jīng)超出了用電負(fù)荷，預(yù)計(jì)到2020年將更加突出。在這種情況下，煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來，該系統(tǒng)的能效比可達(dá)到6以上，也就是說，消耗一度電可以節(jié)約0.7立米的天然氣。如果采用該項(xiàng)技術(shù)回收燃?xì)怆姀S的煙

14、氣余熱回收來解決電廠周邊的供熱問題，可節(jié)約天然氣消耗量的10%以上（以電廠燃?xì)庀牧繛榛鶖?shù)），既緩解了采暖期燃?xì)庀牡墓┬杳埽壳安膳叻迤谌細(xì)夤┬枞笨跒?0%），也消納了電廠多余的電力，大幅度的降低了供熱成本。2、天然氣熱能利用率的提高燃煤電廠改為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)供系統(tǒng)后，雖然煙氣排放溫度較低，一般為90左右，但是，由于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的過量空氣系數(shù)較大，排煙量比燃?xì)忮仩t要高幾倍，所以，在與燃?xì)忮仩t相同排煙90的情況下，其排煙熱損失要高出5個(gè)百分點(diǎn)，天然氣的熱能利用率低于80%（包括潛熱）。也就是說，一套2*35萬千瓦的燃?xì)?蒸汽熱電聯(lián)供合系統(tǒng)每年消耗天然氣9億立方米，其中就有1.8億

15、立方米的天然氣產(chǎn)生的熱能通過煙筒排到大氣中，造成大量的熱能浪費(fèi)。采用煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)回收燃?xì)怆姀S的煙氣余熱，可以將排煙溫度降到15左右，實(shí)現(xiàn)天然氣熱能的全部利用。目前，一套35萬千瓦的燃?xì)?蒸汽熱電聯(lián)供合系統(tǒng)的供熱面積為600萬平米，采用煙氣余熱泵節(jié)能供熱系統(tǒng)可以從運(yùn)氣中回收天然氣總熱能的15%的熱能回供到供暖系統(tǒng)，可以增加200萬平米的供熱面積。占現(xiàn)狀供熱面積的30%以上，同時(shí)，還可以大幅度的降低供熱成本。3、氮氧化物排放問題北京實(shí)施煤改氣后，有段時(shí)間大氣中的氮氧化物的降低并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，其原因就是燃?xì)忮仩t排放的氮氧化物加重了大氣的污染。從去年起，北京市斥巨資對(duì)所有的燃?xì)忮仩t進(jìn)行

16、低氮改造。雖然燃?xì)怆姀S的氮氧化物排放濃度達(dá)標(biāo)，但是，是建立在排煙量較大的基礎(chǔ)上，排放總量仍然很大。采用煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)回收煙氣熱能的過程中，煙氣中的硫化物和氮氧化物會(huì)溶解到冷凝水中起到減排的作用。據(jù)檢測(cè)，硫化物可以減排50%以上，氮氧化物可以減排10%以上，在沒有減排投資的情況下實(shí)現(xiàn)了減排的環(huán)境效益。目前，煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術(shù)在中小鍋爐的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，有運(yùn)行3年以上工程案例，取得了良好的節(jié)能減排效果。在大型工業(yè)鍋爐和燃?xì)怆姀S的應(yīng)用已經(jīng)起步，通過研發(fā)大功率熱泵單機(jī)和撬裝設(shè)備完善工藝流程并進(jìn)行樣板工程的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)怆姀S天然氣熱能的全部回收利用。案例介紹：北京交通大學(xué)學(xué)苑公寓鍋爐房煙氣

17、余熱回收及浴室熱水節(jié)能改造項(xiàng)目簡(jiǎn)介一、鍋爐房及浴室基本情況北京交通大學(xué)學(xué)苑公寓采暖鍋爐房?jī)?nèi)現(xiàn)有1臺(tái)4.2兆瓦和2臺(tái)2.8兆瓦燃?xì)忮仩t，供應(yīng)采暖和浴室熱水，供暖面積約11萬平方米,采暖期時(shí)段是每年11月初至次年3月底，鍋爐排煙溫度約140-160左右。采暖期鍋爐燃?xì)馊障牧繛?000-8000立方米。學(xué)生浴室熱水加熱與采暖鍋爐共用一個(gè)系統(tǒng)，加熱后的熱水分別送至#1-#8公寓學(xué)生浴室使用，公寓學(xué)生人數(shù)約1萬人左右。鍋爐房?jī)?nèi)有3臺(tái)容積10立方米的換熱器，浴室平均每天需水溫40±2熱水200噸左右。浴室開放時(shí)段是每日17時(shí)至24時(shí)。現(xiàn)狀采用燃?xì)忮仩t加熱的成本為15.2元/噸水（只計(jì)算燃?xì)獬杀?/p>

18、） 二、節(jié)能項(xiàng)目概況：北京交通大學(xué)學(xué)苑公寓鍋爐房煙氣余熱回收及浴室熱水節(jié)能項(xiàng)目位于北京交通大學(xué)學(xué)苑公寓院內(nèi)，于2016年11月完成安裝并進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。工程分為兩部分，1、煙氣源熱泵部分：采暖季節(jié)采用煙氣源熱泵煙氣余熱回收技術(shù)加熱水箱水供學(xué)生浴室。安裝兩級(jí)板式煙氣換熱器和4臺(tái)煙氣源熱泵，采用三級(jí)降溫兩級(jí)換熱的工藝將采暖鍋爐的煙氣余熱回收，加熱學(xué)生浴室熱水。2、空氣源熱泵部分：非采暖季節(jié)采用空氣源熱泵技術(shù)加熱浴室熱水，安裝4臺(tái)空氣源熱泵循環(huán)加熱水箱水供學(xué)生浴室。 采暖季熱泵系統(tǒng)加熱流程圖：級(jí)板換和熱泵系統(tǒng)24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，一級(jí)板換和熱泵并聯(lián)循環(huán)加熱水箱水，進(jìn)出口溫差10-12。二級(jí)板換加熱自來水補(bǔ)水，每小時(shí)6噸，加熱溫升20-24（進(jìn)水溫度12，出水36）。經(jīng)過運(yùn)行測(cè)試，本系統(tǒng)采暖季回收的煙氣余熱每天可加熱40±2熱水200噸左右，基本滿足浴室熱水的需求。平均噸水加熱成本為3.52元/噸。 熱泵系統(tǒng)能效比為5.98。 三、經(jīng)濟(jì)效益分析根據(jù)設(shè)計(jì)文件計(jì)算，采暖期鍋爐加熱成本為15.2元/噸水。采用煙氣源熱泵系統(tǒng)加熱成本平均為3.52元/噸水。每噸水節(jié)約11.68元/噸。按照測(cè)試平均每天供水量198噸水計(jì)算，每日節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)